Системы управления строительных роботов

Система управления роботом предназначена для обеспечения совместной работы всех подсистем и компонентов робота с целью перемещения рабочего органа в заданную точку или выполнения движений по заданной траектории. Робот как объект управления представляет собой сложную систему, состоящую из многозвенной механической конструкции, микропроцессорного устройства управления, информационно-измерительных устройств. Задача управления роботом заключается в формировании управляющих воздействий для исполнительных приводов каждой степени подвижности. При управлении роботами и РТК различают исполнительный, тактический, стратегический уровни управления.

Исполнительный уровень реализует управление следящими приводами по отдельным степеням подвижности и определяет динамические и точностные свойства манипуляционной системы. Этот уровень имеет свои внутренние связи по положению, скорости, а также может иметь обратные связи по моментам.

Тактический уровень обеспечивает планирование элементарных движений рабочих органов, их разделение на согласованные перемещения следящих приводов каждой из степеней подвижности и формирования управляющих воздействий для исполнительного органа. Тактический и исполнительный уровни управления должны обладать набором алгоритмов, позволяющим выполнять роботу элементарные движения.

Стратегический уровень управления определяет последовательность командных движений рабочего органа в соответствии с целью управления и осуществляет коррекцию программы управления с учетом информации о внешней среде.

В строительной робототехнике могут использоваться интерактивные и автоматические системы управления роботами. Интерактивные роботы относятся к классу дистанционно-управляемых средств робототехники, в которых оператор непосредственно принимает участие в процессе управления. Управление здесь ведется на стратегическом уровне. В зависимости от уровня управления различают роботы с автоматизированным, супервизорным и диалоговым управлением. Роботы с автоматизированным управлением представляют собой человеко-машинную систему, в которой часть операций выполняется автоматически, а остальные по указанию оператора. Роботы с супервизорным управлением характеризуются наличием средств программирования осуществляемых операций и обеспечивают автоматическое выполнение программы. В функции оператора входит дистанционное наблюдение за действиями робота, анализ обстановки в месте его действия, принятия решений и выдача целеуказательных команд на включение тех или иных программ управления. Роботы с диалоговым управлением представляют собой наивысшую ступень дистанционного управления и отличаются от супервизорных наличием элементов адаптации к окружающей среде. Оператор в общей форме выдает задание роботу в диалоговом режиме на языке близком к естественному.

При автоматизации строительных процессов наибольший интерес представляют роботы с автоматическим управлением. Роботы этого вида разделяются на 3 группы: программные, адаптивные и интеллектные. Роботы с программным управлением работают в автоматическом режиме и свои действия в соответствии с заранее введенной управляющей программой. Программные роботы разделяются на роботы с цикловым, позиционным и контурным управлением.

Роботы с цикловым управлением предназначены для выполнения заданной конечной последовательности операций, называемых циклом и их многократного повторения. По каждой степени в данном случае программируется одно конечное положение, а позиционирование осуществляется с помощью механических упоров.

Роботы с позиционным управлением обеспечивают движение рабочего органа по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними. Позиционные роботы отличаются большим числом точек позиционирования рабочего органа.

Роботы с контурным управлением перемещают рабочий орган по заданной траектории с установленным распределением во времени значений скорости. Эти роботы обеспечивают движение рабочего органа по непрерывным контролируемым траекториям.

Адаптивные роботы перемещают рабочий орган в соответствии с управляющей программой, которая корректируется и изменяется в зависимости от контролируемых параметров внешней среды. Адаптивные роботы снабжаются средствами очувствления, которые позволяют получать информацию о состоянии внешней среды. Эти роботы предназначены для работы в не полностью определенной обстановке с заранее неизвестными изменениями окружающей среды.

Остановимся подробно на рассмотрении систем программного управления, представляющих наибольший интерес для строительных роботов. Принцип циклового управления роботами заключается в программировании последовательности позиционирования манипулятора по упорам. Характерными особенностями циклового управления являются:

- программирование логической и технологической информации дискретного вида, определяющей последовательность движения звеньев манипулятора, работы технологического оборудования, задание технологических выдержек времени;

- управление по заданному циклу;

- выделение информации о перемещениях по отдельным степеням подвижности, задаваемых упорами или датчиками положения;

- сравнение заданного и фактического положения звеньев манипулятора в естественном коде.

В общем случае структура цикловых систем управления содержит микроконтроллер, модули ввода дискретной информации с датчиков положения звеньев манипулятора и датчиков технологического оборудования, модули вывода управляющих сигналов на приводы манипулятора и технологическое оборудование, программируемый таймер для задания технологических выдержек времени. В качестве примера рассмотрим структуру микропроцессорной цикловой системы управления (МЦСУ), представленную на рис.2.17. Устройство циклового управления МЦСУ предназначено для подключения двух роботов с пневмоприводом и технологического оборудования.

Устройство МЦСУ имеет модульную конструкцию и содержит модуль процессора МПР, модуль постоянного запоминающего устройства (памяти) МП, модули оперативного запоминающего устройства МОЗУ, модуль последовательного интерфейса, модули ввода и вывода дискретных сигналов (3 группы). Технические средства общения с оператором составляют пульт управления ПУ и устройство управления УУ.

Устройство МЦСУ может работать в одном из 6-ти режимов: автоматический, ручной, функциональная клавиатура, пошаговый, ввод программы, просмотр программы. Модуль процессора (МПр) осуществляет сбор, цифровую обработку и вывод информации в соответствии с исполнительной программой, записанной в модулях памяти. Модули ввода (МВВ) и вывода (МвыВ) дискретных сигналов предназначены для связи устройства управления с внешним технологическим оборудованием - электропневмопреобразователями, реле, элементами сигнализации, датчиками состояния оборудования, исполнительными устройствами и т.д. Пульт управления включает клавиатуру для ввода команд и управления режимами работы МЦСУ, однострочный дисплей и индикаторы режимов. Модуль управления обеспечивает сопряжение клавиатуры и индикации ПУ с внутренней магистралью обмена информацией МЦСУ.

Программирование МЦСУ осуществляется набором 2-х разрядных 16-ричных кодов операций. Программное обеспечение процессорного циклового устройства включает: программу-диспетчер, язык циклового программного управления, интерпретатор приказов, программные модули обслуживания клавиатуры и дисплея, драйвер каналов последовательной передачи данных, драйверы ввода – вывода, программы контроля аппаратных средств.

Роботы с позиционным управлением отличаются от роботов с цикловым управлением большим числом точек позиционирования рабочего органа. Они имеют расширенные возможности для выполнения технологических операций и позволяют выполнять сложные манипуляционные операции. Эти роботы имеют по каждой степени подвижности более двух состояний. Их особенностью является наличие обратных связей в приводах каждой степени подвижности. В строительной робототехнике позиционные системы управления находят ограниченное применение. Обычно используются контурные системы управления, обеспечивающие как контурное, так и позиционное управление.

В отличии от позиционных контурные системы управления выполняют перемещение рабочего органа в пространстве по сложным траекториям движения. Контурное управление используется при выполнении окрасочных, сварочных и других технологических операциях. При контурном управлении перемещение рабочего органа программируется в виде непрерывной траектории в рабочем пространстве. Основными функциями контурного управления являются хранение информации о траектории движения, планирование движений и формирование управляющих воздействий для приводов манипулятора, обеспечивающих отработку заданной траектории с необходимой точностью. Современные системы контурного управления представляет собой иерархические многопроцессорные системы. В них одна из микроЭВМ является ведущей и находится на верхнем уровне, а остальные являются ведомыми или периферийными. МикроЭВМ верхнего уровня решает тактические задачи управления:

- редактирование управляющих программ;

- интерпретацию операторов управляющей программы;

- планирование движений манипулятора и решение задач кинематики;

- интерполяцию и формирование управляющих сигналов для микроЭВМ нижнего уровня;

- отображение информации на экране видеомонитора;

- связь с периферийными устройствами.

МикроЭВМ нижнего уровня обеспечивают программную реализацию алгоритмов управления следящими приводами. Они решают следующие задачи:

- формируют сигналы управления исполнительными двигателями;

- рассчитывают положение и скорость исполнительных приводов по показаниям импульсных датчиков;

- следят за превышением допускаемых значений тока, сигнала ошибки.

Cтруктурную организацию контурной системы управления рассмотрим на примере микропроцессорного устройства управления, представленного на рис.2.18. В его состав входят следующие модули: центрального процессора МЦП; памяти ПЗУ и ОЗУ; последовательного интерфейса ПИ; ввода - вывода МВВ; аналогового ввода МАВ; связи МС. Модули ведущей микроЭВМ подключены к процессору МЦП через магистраль МА-1.

Модуль последовательного интерфейса ПИ служит для подключения к МА1 периферийного оборудования и имеет 4 канала, к которым подключаются видеотерминальное устройство ВТУ, пульт ручного управления ПРУ и накопитель на гибких магнитных дисках НГМД. Один из каналов последовательного интерфейса служит для связи с микроЭВМ верхнего уровня. Постоянное запоминающие устройство ПЗУ служит для хранения операционной системы, констант и параметров робота. Оперативное запоминающие устройство ОЗУ используется для хранения прикладных управляющих программ и изменяющихся данных. Модуль ввода-вывода МВВ осуществляет связь с блоками ввода и вывода релейных сигналов управления электроавтоматикой технологического оборудования (ТО). Модуль аналогового ввода МАВ используется при включении робота для начальной установки импульсных датчиков по сигналам аналоговых датчиков положения (потенциометров). Модуль связи МС осуществляет связь магистралей МА1 и МА2, к которой подсоединяются периферийные процессоры устройства управления. Этим обеспечивается расширение перегрузочной способности магистрали.

Исполнительный уровень управления содержит 6 каналов, каждый из которых предназначен для управления приводом постоянного тока соответствующей степени подвижности. Каналы нижнего уровня включают модуль процессора привода МПП, модуль управления приводом МУП и широтно-импульсный преобразователь ШИП. Процессорный модуль МПП содержит процессор нижнего уровня, а так же ОЗУ и ПЗУ. МПП через внутреннюю шину соединяется с МУП, который преобразует сигналы с импульсных датчиков обратной связи в двоичный код, формирует сигнал ошибки управления и преобразует его в сигнал ШИМ. Последний подается на усилитель ШИП, к выходу которого подключается якорная обмотка двигателя.

Программное обеспечение контурных систем включает: операционную систем; систему программирования, включающую редактор текста, транслятор с языка программирования, редактор связи и отладчик программ; набор тестов для контроля работоспособности аппаратуры и диагностических тестов.

Литература

1. Автоматизация и роботизация строительства: Учеб. пособие / А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев, С.И. Евтушенко, Д.Я. Паршин. — М.: РИОР: ИНФРА-М, 2013. — 452 с.

2. Автоматизация строительного производства / А.Г. Булгаков и др. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. — 268 с.

3. Паршин Д.Я. Основы автоматизации и роботизации / РГСУ — Ростов н/Д, 2013. — 147 с.